k - DBS
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Ludwig Maximilians Universität München Institut für Informatik Lehr- und Forschungseinheit für Datenbanksysteme Skript zur Vorlesung Datenbanksysteme I Datenbanksysteme I 2004 Christian Böhm Wintersemester 2004/2005 Kapitel 9: Physische Datenorganisation Vorlesung: Christian Böhm Übungen: Elke Achtert, Karin Kailing Skript © 2004 Christian Böhm http://www.dbs.informatik.uni-muenchen.de/Lehre/DBS Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Wiederholung Permanente Datenspeicherung: Daten können auf dem sog. Externspeicher (auch Festplatte genannt) permanent gespeichert werden • Arbeitsspeicher: – rein elektronisch (Transistoren und Kondensatoren) – flüchtig – schnell: 10 ns/Zugriff * – wahlfreier Zugriff – teuer: 300-400 € für 1 GByte* Externspeicher: – Speicherung auf magnetisierbaren Platten (rotierend) – nicht flüchtig – langsam: 5 ms/Zugriff * – blockweiser Zugriff – wesentlich billiger: 200-400 € für 100 GByte* *April 2 2002 . Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Wiederholung 3 Aufbau einer Festplatte • Mehrere magnetisierbare Platten rotieren um eine gemeinsame Achse • Ein Kamm mit je zwei Schreib/Leseköpfen pro Platte (unten/oben) bewegt sich in radialer Richtung. Spuren Sektoren Wiederholung Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Intensionale Ebene vs. Extensionale Ebene 4 • Datenbankschema: Name (10 Zeichen) Vorname (8 Z.) Jahr (4 Z.) • Ausprägung der Datenbank: F r a n k l i n R i t c h i e A r e t h a L i o n e l 1 9 4 2 1 9 4 9 • Nicht nur DB-Zustand, sondern auch DB-Schema wird in DB gespeichert. • Vorteil: Sicherstellung der Korrektheit der DB Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Wiederholung Drei-Ebenen-Architektur zur Realisierung von – physischer – und logischer Datenunabhängigkeit (nach ANSI/SPARC) A1 A2 Ext. Schema1 A3 A4 Ext. Schema2 A5 Anwendungsgruppen Ext. Schema3 Externe Ebene Logische Datenunabhängigkeit Logisches Schema Konzeptionelle Ebene Physische Datenunabhängigkeit 5 Internes Schema Interne Ebene Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Wiederholung 6 • Das interne Schema beschreibt die systemspezifische Realisierung der DB-Objekte (physische Speicherung), z.B. – Aufbau der gespeicherten Datensätze – Indexstrukturen wie z.B. Suchbäume • Das interne Schema bestimmt maßgeblich das Leistungsverhalten des gesamten DBS • Die Anwendungen sind von Änderungen des internen Schemas nicht betroffen (physische Datenunabhängigkeit) Indexstrukturen Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Um Anfragen und Operationen effizient durchführen zu können, setzt die interne Ebene des Datenbanksystems geeignete Datenstrukturen und Speicherungsverfahren (Indexstrukturen) ein. Aufgaben: • Zuordnung eines Suchschlüssels zu denjenigen physischen Datensätzen, die diese Wertekombination besitzen, d.h. Zuordnung zu der oder den Seiten der Datei, in denen diese Datensätze gespeichert sind. (VW, Golf, schwarz, M-ÜN 40) Æ (logische) Seite 37 • Organisation der Seiten unter dynamischen Bedingungen. Überlauf einer Seite Æ Aufteilen der Seite auf zwei Seiten 7 Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Index / Directory Strukturinformation zur Zuordnung von Suchschlüsseln und zur Organisation der Datei. • Directoryseiten: Seiten in denen das Directory gespeichert wird. • Datenseiten Seiten mit den eigentlichen physischen Datensätzen. Index/Directory Directoryseiten … Physische Datensätze 8 Datenseiten Anforderungen an Indexstrukturen Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation • Effizientes Suchen – Häufigste Operation in einem DBS: Suchanfragen. • Insbesondere Suchoperationen müssen mit wenig Seitenzugriffen auskommen. – Beispiel: unsortierte sequentielle Datei » Einfügen und Löschen von Datensätzen werden effizient durchgeführt. » Suchanfragen müssen ggf. die gesamte Datei durchsuchen. • Eine Anfrage sollte daher mit Hilfe der Indexstruktur möglichst schnell zu der Seite oder den Seiten hingeführt werden, wo sich die gesuchten Datensätze befinden. 9 Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Anforderungen an Indexstrukturen • Dynamisches Einfügen, Löschen und Verändern von Datensätzen – Der Datenbestand einer Datenbank verändert sich im Laufe der Zeit. • Verfahren, die zum Einfügen oder Löschen von Datensätzen eine Reorganisation der gesamten Datei erfordern, sind nicht akzeptabel. – Beispiel: sortierte sequentielle Datei » Das Einfügen eines Datensatzes erfordert im schlechtesten Fall, dass alle Datensätze um eine Position verschoben werden müssen. » Folge: auf alle Seiten der Datei muss zugegriffen werden. • Das Einfügen, Löschen und Verändern von Datensätzen darf daher nur lokale Änderungen bewirken. 10 Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Anforderungen an Indexstrukturen • Ordnungserhaltung – Datensätze, die in ihrer Sortierordnung direkt aufeinander folgen, werden oft gemeinsam angefragt. • In der Ordnung aufeinanderfolgende Datensätze sollten in der gleichen Seite oder in benachbarten Seiten gespeichert werden. • Hohe Speicherplatzausnutzung – Dateien können sehr groß werden. • Eine möglichst hohe Speicherplatzausnutzung ist wichtig: – Möglichst geringer Speicherplatzverbrauch. – Im Durchschnitt befinden sich mehr Datensätze in einer Seite, wodurch auch die Effizienz des Suchens steigt und die Ordnungserhaltung an Bedeutung gewinnt. 11 Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Anforderungen an Indexstrukturen 12 • Hohe Speicherplatzausnutzung – Dateien können sehr groß werden. • Eine möglichst hohe Speicherplatzausnutzung ist wichtig: – Möglichst geringer Speicherplatzverbrauch. – Im Durchschnitt befinden sich mehr Datensätze in einer Seite, wodurch auch die Effizienz des Suchens steigt und die Ordnungserhaltung an Bedeutung gewinnt. Indexstrukturen Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Klassen von Indexstrukturen: 13 • Datenorganisierende Strukturen Organisiere die Menge der tatsächlich auftretenden Daten (Suchbaumverfahren) • Raumorganisierende Strukturen Organisiere den Raum, in den die Daten eingebettet sind (dynamische Hash-Verfahren) Æ Vorlesung Index- und Speicherungsstrukturen • Hybride Strukturen Kombination beider Vorgehensweisen (Hash-Bäume) Æ Vorlesung Index- und Speicherungsstrukturen Indexstrukturen Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Häufig tritt in Datenbankanwendungen neben der Primärschlüsselsuche auch sequentielle Verarbeitung auf. 14 Beispiele für sequentielle Verarbeitung: – Sortiertes Auslesen aller Datensätze, die von einer Indexstruktur organisiert werden. – Unterstützung von Bereichsanfragen der Form: “Nenne mir alle Studenten, deren Nachname im Bereich [Be ... Brz] liegt.” ÆDie Indexstruktur sollte die sequentielle Verarbeitung unterstützen, d.h. die Verarbeitung der Datensätze in aufsteigender Reihenfolge ihrer Primärschlüssel. Indexstrukturen Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Betrachten wir das Beispiel eines B-Baumes: Definition: B-Baum der Ordnung m (Bayer und McCreight (1972)) (1) Jeder Knoten enthält höchstens 2m Schlüssel. (2) Jeder Knoten außer der Wurzel enthält mindestens m Schlüssel. (3) Die Wurzel enthält mindestens einen Schlüssel. (4) Ein Knoten mit k Schlüsseln hat genau k+1 Söhne. (5) Alle Blätter befinden sich auf demselben Level. 15 Indexstrukturen Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Beispiel: für einen B-Baum der Ordnung 2 16 Warum unterstützt dieser B-Baum die folgende Bereichsanfrage nicht effizient? “Lies die Informationen aller Datensätze im Bereich [B ... V] aus” B+-Baum Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Grundidee: • Trennung der Indexstruktur in Directory und Datei. • Sequentielle Verkettung der Daten in der Datei. B+-Datei: • Die Blätter des B+-Baumes heißen Datenknoten oder Datenseiten. • Die Datenknoten enthalten alle Datensätze. • Alle Datenknoten sind entsprechend der Ordnung auf den Primärschlüsseln verkettet. B+-Directory: • Die inneren Knoten des B+-Baumes heißen Directoryknoten oder Directoryseiten. • Directoryknoten enthalten nur noch Separatoren s. • Für jeden Separator s(u) eines Knotens u gelten folgende Separatoreneigenschaften: – – – 17 – s(u) > s(v) s(u) < s(w) s(u) > k(v’) s(u). s(u) ≤ k(w’) von s(u). für alle Directoryknoten v im linken Teilbaum von s(u). für alle Directoryknoten w im rechtenTeilbaum von s(u). für alle Primärschlüssel k(v’) und alle Datenknoten v’ im linken Teilbaum von für alle Primärschlüssel k(w’) und alle Datenknoten w’ im rechten Teilbaum Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation B+-Baum 18 Beispiel: B+-Baum für die Zeichenketten: An, And, Certain, For, From, Which, With Datenbanksysteme I Kapitel 9: Physische Datenorganisation Zusammenfassung • Um Anfragen und Operationen effizient durchführen zu können, setzt die interne Ebene des Datenbanksystems geeignete Datenstrukturen und Speicherungsverfahren (Indexstrukturen) ein. • Ein Beispiel für eine solche Indexstruktur ist der so genannte B+-Baum Æeffizienter Zugriff auf Tupel einer Relation über Primärschlüssel und effiziente sequentielle Verarbeitung aller Tupel einer Relation • Weiter Indexstrukturen sind zum Beispiel Hashverfahren 19
